EP1519147A1 - Optischer Strahlteiler - Google Patents

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EP1519147A1
EP1519147A1 EP04104525A EP04104525A EP1519147A1 EP 1519147 A1 EP1519147 A1 EP 1519147A1 EP 04104525 A EP04104525 A EP 04104525A EP 04104525 A EP04104525 A EP 04104525A EP 1519147 A1 EP1519147 A1 EP 1519147A1
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axis
beam splitter
cylinder
central region
reflector surfaces
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Lieu-Kim Dang
Reinhard Waibel
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Hilti AG
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Hilti AG
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    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/14—Beam splitting or combining systems operating by reflection only
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/04—Prisms

Definitions

  • the invention refers to a beam splitter, preferably for optical positioning devices such as Multi-axis construction laser or rotary construction laser.
  • Beam splitters are optical components whose optically reflective surfaces at least are partially flat and thus distract a focused beam of light discreetly or disperse a parallel light beam discreetly.
  • cylindrical lenses are optical components whose optically refracting surfaces at least partially cylindrical jacket-shaped and thus a focused Constant deflection of the light beam within a plane or a parallel light beam steadily widening. Due to the cylindrical shape, the intensity decreases for transmitted, parallel polarized light near the edge and thus of the deflected line beam with increasing Widening angle steeply, with a deflection angle of 90 ° is virtually unachievable. In addition, diffraction effects prevent a sharply defined limitation of the deflection angle.
  • a prismatic lens has a cylinder jacket-shaped formed central area and two concave side areas on the inside Total reflection of edge portions of the light beam defines the expansion angle restrict without dividing the light beam into discrete partial beams.
  • an optical beam splitter for a along a beam axis parallel Light beam bundles a plane-parallel transparent central area and several, to Beam axis each inclined by 45 °, reflective reflector surfaces, whereby mutually perpendicular spot beams can be generated.
  • the object of the invention is to realize an optical beam splitter for Generation of several discrete spot beams with a defined reference angle and one in a plane steadily expanded line ray.
  • an optical beam splitter for a along a beam axis parallel
  • Light beam bundles a transparent central area and several, to the beam axis in each case inclined by a reflector angle, reflective reflector surfaces for generating each of a discrete spot beam, the central area at least piecewise is formed prismatically convex curved and / or a diffusing diffractive Optics.
  • the axis-parallel partial beam is in the plane of the cylinder axis is continuously widened as a line beam and with two more Partial beam bands generated by the reflector surfaces depending on a discrete spot beam, wherein the spot beams form a defined reference angle to each other.
  • the central region is cylindrical segment-shaped with a perpendicular to the beam axis and formed to at least two spot beams oriented cylinder axis, whereby the Line beam lies within a plane spanned by the spot beams plane.
  • the cylinder-segment-shaped central region forms both the beam input side and also beam output side cylinder segments, resulting in a strong angular deflection he follows.
  • the segment angle of the beam-input-side cylinder segment is greater than that the beam output side cylinder segment, creating a spatial optimization with respect to the effective optical path within the central area.
  • the diffractive optics as cylindrical lens array, for example.
  • a Fresnel lens or as an optically active microstructure for example in the form of a hologram or phase grating formed, whereby the length of the optical beam splitter along the beam axis is shortenable.
  • the reflector angle is exactly 45 ° to the beam axis, whereby the spot beams are oriented perpendicular to the beam axis.
  • the individual reflector surfaces are one another around the beam axis Multiple offset by 90 °, whereby the spot beams to each other a reference angle of 90 °, 180 ° or 270 °.
  • the two counter-directed spot beams define a half-plane.
  • One such beam splitter is advantageously used in a rotary construction laser, which in Connection with a detectable beam axis a Cartesian coordinate system spans.
  • the beam splitter is physically formed in one piece, further advantageous from a prismatic injection-molded optics made of transparent plastic such as polystyrene with silver-plated Reflector surfaces, whereby this is easy to produce in high quantities.
  • the beam splitter is modularly made of a transparent solid cylinder, at least one prism with mirrored reflector surfaces and optional other parts assembled, whereby standard optical components can be used.
  • two are mutually perpendicular with respect to their respective cylinder axis oriented, such beam splitter adjacent to each other in a positioning device arranged.
  • Two such arranged beam splitter are advantageous in one self-leveling multi-axle construction laser.
  • Reflected around 180 ° reflector surfaces 4a, 4b produce two discrete, opposite directed spot beams 5a, 5b, the mutually a defined reference angle ⁇ of 180 ° form.
  • the cylinder-segment-shaped central region 3 generates a widening angle ⁇ steadily expanded line beam 6.
  • the beam splitter 1 is physically one piece from a prismatic injection optics of transparent polystyrene with surface silvered reflector surfaces 4a, 4b educated.
  • the beam splitter 1 is itself modularly assembled and has a transparent solid cylinder 8 in the form of a glass cylinder lens, to which according to FIG. 3a on both sides special prismatic reflectors 9 are glued.
  • Fig. 3b is the Solid cylinder 8 of the diameter d at the, a uniform roof surface eleventh opposite side of a flattened rectangular prism 10 made of glass.
  • the solid cylinder 8 is arranged between two 45 ° prisms 12 and mounted together with these on a transparent plane-parallel plate 13.
  • FIG. 3b is the Solid cylinder 8 of the diameter d at the, a uniform roof surface eleventh opposite side of a flattened rectangular prism 10 made of glass.
  • 3d shows the central region 3 of a physically one-piece beam splitter 1 beam exit side at the, the roof surface 11 opposite side of the flattened Rectangular prisms 10 a same width, beam-expanding diffractive optics 19 in the form of a from a cylindrical lens array Fresnel lens, which from the along a Beam axis A parallel light beam 2 a steadily expanded line beam. 6 generated.
  • FIG. 4 a self-leveling multi-axis laser 14 is shown in FIG Gravity G aligning pendulum 15 with two laser diode optics 16a, 16b each as serve collimated light beam source.
  • the laser diode optics 16a, 16b are each axially parallel associated with a beam splitter 1, which each have a line beam 6 and two opposite directed spot beams 5a, 5b generated.
  • the two by 90 ° to the respective cylinder axis Z mutually offset beam splitter 1 together generate four mutually by 90 ° offset spot beams 5a, 5b and a 90 ° offset to each of these cross beam 17, which is formed from two intersecting line beams 6.
  • the four spot beams 5a, 5b and the cross-beam 17 clamp a gravitational G leveled Cartesian Coordinate system 18 on.

Abstract

Ein optischer Strahlteiler (1) für ein längs einer Strahlachse (A) paralleles Lichtstrahlenbündel (2) mit einem transparenten Zentralbereich (3) und mehreren, zur Strahlachse (A) jeweils um einen Reflektorwinkel (α) geneigten, reflektierenden Reflektorflächen (4a, 4b) zur Erzeugung von je einem diskreten Punktstrahl (5a, 5b), wobei der Zentralbereich (3) zumindest stückweise prismatisch konvex gekrümmt ausgebildet ist und/oder eine strahlaufweitende diffraktive Optik (19) aufweist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezeichnet einen Strahlteiler vorzugsweise für optische Positioniergeräte wie Mehrachsbaulaser oder Rotationsbaulaser.
Bei Markierungsanwendungen zur Ausrichtung von Werkzeugen und dem Anzeichnen von Werkstücken werden insbesondere im Baugewerbe definiert begrenzte, gut sichtbare und hinreichend helle Lichtmarken benötigt, die einen definierten Bezugswinkel ausbilden, beispielsweise in einem nivellierten kartesischen Koordinatensystem eines Mehrachsbaulasers.
Strahlteiler sind optische Bauelemente, deren optisch reflektierende Flächen zumindest teilweise eben ausgebildet sind und somit einen fokussierten Lichtstrahl diskret ablenken bzw. ein paralleles Lichtstrahlenbündel diskret aufteilen.
Hingegen sind Zylinderlinsen optische Bauelemente, deren optisch brechende Flächen zumindest teilweise zylindermantelförmig ausgebildet sind und somit einen fokussierten Lichtstrahl innerhalb einer Ebene stetig ablenken bzw. ein paralleles Lichtstrahlenbündel stetig aufweiten. Durch die Zylinderform nimmt die Intensität für transmittiertes, parallel polarisiertes Licht in Randnähe und somit des abgelenkten Linienstrahls mit zunehmendem Aufweitungswinkel steil ab, wobei ein Ablenkwinkel von 90° praktisch nicht erreichbar ist. Zudem verhindern Beugungseffekte eine scharf definierte Begrenzung des Ablenkwinkels.
Nach der US5363469 weist eine prismatische Linse einen zylindermantelförmig ausgebildeten Zentralbereich und zwei konkave Seitenbereiche auf, die durch innenseitige Totalreflektion von Randteilen des Lichtstrahlenbündels den Aufweitungswinkel definiert einschränken, ohne das Lichtstrahlenbündel in diskrete Teilstrahlenbündel aufzuteilen.
Nach der US543730 weist ein optischer Strahlteiler für ein längs einer Strahlachse paralleles Lichtstrahlenbündel einen planparallelen transparenten Zentralbereich und mehrere, zur Strahlachse jeweils um 45° geneigte, reflektierende Reflektorflächen auf, wodurch zueinander senkrechte Punktstrahlen erzeugbar sind.
Zudem wird nach der US6005719 in einem Mehrachsbaulaser das parallele Lichtstrahlenbündel mit Strahlteilergittern innerhalb zweier, zueinander senkrechten Ebenen diskret abgelenkt, wodurch zwei Reihen diskret geteilter Punktstrahlen entstehen. Die Verwendung einer zudem offenbarten Zylinderlinse zur stetigen Aufweitung eines fokussierten Lichtstrahls innerhalb einer Ebene wird als nachteilig dargestellt.
Zudem wird nach der US5838431 in einem Rotationsbaulaser das parallele Lichtstrahlenbündel mit einer prismatischen Kombilinse mit einem planparallelen transparenten Bereich und einem daran glatt angrenzenden zylindersegmentförmigen Bereich innerhalb einer Ebene stetig als Linienstrahl mit einer höheren Helligkeit längs der Achse aufgeweitet. Eine diskrete Aufteilung des Lichtstrahlenbündels in definiert abgelenkte Punktstrahlen ist nicht möglich.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Realisierung eines optischen Strahlteilers zur Erzeugung mehrere diskreter Punktstrahlen mit einem definierten Bezugswinkel sowie eines in einer Ebene stetig aufgeweiteten Linienstrahls.
Die Aufgabe wird im Wesentlichen durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
So weist ein optischer Strahlteiler für ein längs einer Strahlachse paralleles Lichtstrahlenbündel einen transparenten Zentralbereich und mehrere, zur Strahlachse jeweils um einen Reflektorwinkel geneigte, reflektierende Reflektorflächen zur Erzeugung von je einem diskreten Punktstrahl auf, wobei der Zentralbereich zumindest stückweise prismatisch konvex gekrümmt ausgebildet ist und/oder eine strahlaufweitende diffraktive Optik aufweist.
Durch die prismatisch konvex gekrümmte Ausbildung des Zentralbereiches, welcher zumindest infinitesimal als Zylinderlinse wirkt, wird das achsparallele Teilstrahlenbündel in der Ebene der Zylinderachse stetig als Linienstrahl aufgeweitet sowie mit zwei weiteren Teilstrahlenbünden mittels der Reflektorflächen je ein diskreter Punktstrahl erzeugt, wobei die Punktstrahlen zueinander einen definierten Bezugswinkel ausbilden.
Vorteilhaft ist der Zentralbereich zylindersegmentförmig mit einer senkrecht zur Strahlachse und zu zumindest zwei Punktstrahlen orientierten Zylinderachse ausgebildet, wodurch der Linienstrahl innerhalb einer durch die Punktstrahlen aufgespannten Ebene liegt.
Vorteilhaft bildet der zylindersegmentförmige Zentralbereich sowohl strahleingansseitig als auch strahlausgangsseitig Zylindersegmente aus, wodurch eine starke Winkelablenkung erfolgt.
Vorteilhaft ist der Segmentwinkel des strahleingansseitigen Zylindersegments grösser als der des strahlausgangsseitigen Zylindersegments, wodurch eine räumliche Optimierung bezüglich des effektiven Strahlenganges innerhalb des Zentralbereich erfolgt.
Vorteilhaft ist die diffraktive Optik als Zylinderlinsenarray, bspw. in Form einer Fresnel-Linse oder als optisch aktive Microstruktur, bspw. in Form eines Hologramms oder Phasengitters ausgebildet, wodurch die Baulänge des optischen Strahlteilers längs der Strahlachse verkürzbar ist.
Vorteilhaft beträgt der Reflektorwinkel exakt 45° zur Strahlachse, wodurch die Punktstrahlen senkrecht zur Strahlachse orientiert sind.
Vorteilhaft sind die einzelnen Reflektorflächen zueinander um die Strahlachse herum um ein Vielfaches von 90° versetzt , wodurch die Punktstrahlen zueinander einen Bezugswinkels von 90°, 180° oder 270° ausbilden.
Vorteilhaft sind genau zwei, diametral gegenüberliegende Reflektorflächen vorhanden, wodurch die zwei entgegenorientierten Punktstrahlen eine Halbebene begrenzen. Ein derartiger Strahlteiler ist vorteilhaft in einem Rotationsbaulaser einsetzbar, welcher in Verbindung mit einer feststellbaren Strahlachse ein kartesisches Koordinatensystem aufspannt.
Vorteilhaft ist der Strahlteiler körperlich einteilig ausgebildet, weiter vorteilhaft aus einer prismatischen Spritzgussoptik aus transparentem Kunststoff wie Polystyren mit versilberten Reflektorflächen, wodurch dieser einfach in hohen Stückzahlen herstellbar ist.
Alternativ vorteilhaft ist der Strahlteiler modular aus einen transparenten Vollzylinder, zumindest einem Prisma mit verspiegelten Reflektorflächen und optionalen weiteren Teilen zusammengefügt, wodurch optische Standardbauteile verwendbar sind.
Vorteilhaft sind zwei, bezüglich ihrer jeweiligen Zylinderachse zueinander senkrecht orientierte, derartige Strahlteiler benachbart nebeneinander in einem Positioniergerät angeordnet. Zwei derartig angeordnete Strahlteiler sind vorteilhaft in einem selbstnivellierenden Mehrachsbaulaser einsetzbar.
Die Erfindung wird bezüglich eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels näher erläutert mit:
  • Fig. 1 als Strahlteiler mit Strahlengang, im Schnitt
  • Fig. 2 als Strahlteiler, in Perspektive
  • Fig. 3a, 3b, 3c, 3d als Varianten, in Perspektive
  • Fig. 4 als Verwendung, in Seitenansicht
    • Nach Fig. 1 weist ein geschnitten dargestellter optischer Strahlteiler 1 für ein längs einer Strahlachse A paralleles Lichtstrahlenbündel 2 einen transparenten Zentralbereich 3 und zwei, zur Strahlachse A jeweils um einen Reflektorwinkel α von exakt 45° geneigte, reflektierende Reflektorflächen 4a, 4b auf. Die beiden zueinander um die Strahlachse A herum um 180° versetzte Reflektorflächen 4a, 4b erzeugen zwei diskrete, entgegengesetzt gerichtete Punktstrahlen 5a, 5b, die zueinander einen definierten Bezugswinkel β von 180° ausbilden. Der zylindersegmentförmige Zentralbereich 3 erzeugt einen im Aufweitwinkel γ stetig aufgeweiteten Linienstrahl 6. Die senkrecht zur Darstellungsebene liegende Zylinderachse Z des zylindersegmentförmigen Zentralbereiches 3, der strahleingansseitig ein grosses Zylindersegment 7a und strahlausgangsseitig ein kleines Zylindersegment 7b ausbildet, ist senkrecht zur Strahlachse A und zu beiden Punktstrahlen 5a, 5b orientiert. Jeweils zwischen den Zylindersegmenten 7a, 7b sind die Reflektorflächen 4a, 4b mit dem Zentralbereich 3 verbunden.
    Nach Fig. 2 ist der Strahlteiler 1 körperlich einteilig aus einer prismatischen Spritzgussoptik aus transparentem Polystyren mit oberflächlich versilberten Reflektorflächen 4a, 4b ausgebildet.
    Nach den Fig. 3a, 3b, 3c ist der Strahlteiler 1 selbst modular zusammengesetzt und weist einen transparenten Vollzylinder 8 in Form einer Glaszylinderlinse auf, an welche nach Fig. 3a beidseitig spezielle prismatische Reflektoren 9 angeklebt sind. Nach Fig. 3b ist der Vollzylinder 8 des Durchmessers d an der, einer gleichbreiten Dachfläche 11 gegenüberliegenden Seite eines abgeflachten Rechteckprismas 10 aus Glas verbunden. Nach der Fig. 3c ist der Vollzylinder 8 zwischen zwei 45°-Prismen 12 angeordnet und gemeinsam mit diesen auf einer transparenten planparallelen Platte 13 montiert. Nach Fig. 3d weist der Zentralbereich 3 eines körperlich einteilig ausgebildeten Strahlteilers 1 strahlausgangsseitig an der, der Dachfläche 11 gegenüberliegenden, Seite des abgeflachten Rechteckprismas 10 eine gleichbreite, strahlaufweitende diffraktive Optik 19 in Form einer aus einem Zylinderlinsenarray bestehenden Fresnel-Linse auf, die aus dem längs einer Strahlachse A parallelen Lichtstrahlenbündel 2 einen stetig aufgeweiteten Linienstrahl 6 erzeugt.
    Nach Fig. 4 weist ein selbstnivellierender Mehrachsbaulaser 14 ein sich nach der Schwerkraft G ausrichtendes Pendel 15 mit zwei Laserdiodenoptiken 16a, 16b auf, die je als kollimierte Lichtstrahlquelle dienen. Den Laserdiodenoptiken 16a, 16b ist jeweils achsparallel ein Strahlteiler 1 zugeordnet, welcher je einen Linienstrahl 6 und zwei entgegengesetzt gerichtete Punktstrahlen 5a, 5b erzeugt. Die beiden um 90° zur jeweiligen Zylinderachse Z zueinander versetzt orientierten Strahlteiler 1 erzeugen gemeinsam vier zueinander um 90° versetzte Punktstrahlen 5a, 5b und einen zu diesen jeweils um 90° versetzten Kreuzstrahl 17, welcher aus zwei sich kreuzenden Linienstrahlen 6 ausgebildet ist. Die vier Punktstrahlen 5a, 5b und der Kreuzstrahl 17 spannen ein nach der Schwerkraft G nivelliertes, kartesisches Koordinatensystem 18 auf.

    Claims (10)

    1. Optischer Strahlteiler für ein längs einer Strahlachse (A) paralleles Lichtstrahlenbündel (2) mit einem transparenten Zentralbereich (3) und mehreren, zur Strahlachse (A) jeweils um einen Reflektorwinkel (α) geneigten, reflektierenden Reflektorflächen (4a, 4b) zur Erzeugung von je einem diskreten Punktstrahl (5a, 5b), dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralbereich (3) eine strahlaufweitende diffraktive Optik (19) aufweist.
    2. Optischer Strahlteiler für ein längs einer Strahlachse (A) paralleles Lichtstrahlenbündel (2) mit einem transparenten Zentralbereich (3) und mehreren, zur Strahlachse (A) jeweils um einen Reflektorwinkel (α) geneigten, reflektierenden Reflektorflächen (4a, 4b) zur Erzeugung von je einem diskreten Punktstrahl (5a, 5b), dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralbereich (3) zumindest stückweise prismatisch konvex gekrümmt ausgebildet ist.
    3. Strahlteiler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralbereich (3) zylindersegmentförmig mit einer senkrecht zur Strahlachse (A) sowie zu zumindest zwei Punktstrahlen (5a, 5b) orientierten Zylinderachse (Z) ausgebildet ist.
    4. Strahlteiler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindersegmentförmige Zentralbereich (3) sowohl strahleingansseitig als auch strahlausgangsseitig Zylindersegmente (7a, 7b) ausbildet, und dass optional das strahleingansseitige Zylindersegment (7a) grösser als das strahlausgangsseitige Zylindersegment (7b) ist.
    5. Strahlteiler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektorwinkel (α) exakt 45° zur Strahlachse (A) beträgt und dass optional die einzelnen Reflektorflächen (4a, 4b) zueinander um die Strahlachse (A) herum um ein Vielfaches von 90° versetzt sind.
    6. Strahlteiler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass genau zwei, diametral gegenüberliegende Reflektorflächen (4a, 4b) vorhanden sind.
    7. Strahlteiler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er körperlich einteilig mit verspiegelten Reflektorflächen (4a, 4b) ausgebildet ist.
    8. Strahlteiler nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er modular aus einen transparenten Vollzylinder (8), zumindest einem Prisma (9, 10, 12) mit verspiegelten Reflektorflächen (4a, 4b) und optionalen weiteren Teilen zusammengefügt ist.
    9. Strahlteiler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er in einem optischen Positioniergerät (14) angeordnet ist.
    10. Strahlteiler in einem Positioniergerät (14) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zu diesem ein weiterer Strahlteiler (1) angeordnet ist, dessen Zylinderachse (Z) um 90° versetzt orientiert ist.
    EP04104525A 2003-09-25 2004-09-20 Optischer Strahlteiler Active EP1519147B1 (de)

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    DE10344472 2003-09-25

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